HotSpot算法实现

枚举根节点：从GC Roots节点中找出引用链的操作。
GC Roots对象主要在全局性引用（常量/类静态属性）与执行上下文（栈帧中的本地变量表）中，虚拟机不会逐个检查这些地方，HotSpot使用OopMap数据结构来记录。当类加载完成时，OopMap中就记录下对象内为引用的位置，和栈、寄存器中引用的位置。当GC扫描时就可以直接得知引用信息。

GC Roots.jpg

Stop The World：在可达性分析期间，需要这期间的一致性——不能一边分析，对象的引用关系还一直变化，所以GC时必须停顿所有的Java执行线程。

安全点：为了避免对每条指令都生成OopMap，而选择的记录信息的特定的位置。只有在安全点，程序才会停下来GC。安全点的选定标准：是否具有让程序长时间执行的特征，例如，方法调用、循环跳转、异常跳转。
让所有线程都到最近的安全点再停顿的方法：

• 抢先式中断：先中断所有线程，再让不在安全点的线程跑到安全点中断。（几乎不用）
• 主动式中断：设置标志，各线程主动轮询标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。其中轮询标志的地方和安全点重合。

安全区域：针对不执行的线程（sleep或blocked状态）设置。当线程进入安全区时，就标识自己，GC时就不用管这些线程。当线程要离开安全区时，要先检查系统是否完成根节点枚举（或GC），要完成了才能安全离开安全区。

安全区.jpg

垃圾收集器

HotSpot的垃圾收集器.jpg

新生代垃圾收集器

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• 对于单CPU环境，ParNew收集器不如Serial收集器效果好。其默认开启的GC线程数=CPU数量，也可以使用-XX:ParallelGCThreads设置线程数。
• 其他收集器专注缩短停顿用户线程的时间，Parallel Scavenge专注于控制吞吐量。吞吐量=CPU执行用户代码的时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)。高吞吐量即意味着可以高效利用CPU，尽快执行完客户代码。
  -XX:MaxGCPauseMillis:设定GC停顿的时间
  -XX:GCTimeRatio:设定垃圾收集时间占总时间的比率，即吞吐量的倒数。
  -XX:+UseAdaptiveSizePolicy:打开此参数后，虚拟机动态调整新生代大小、Eden与Survivor区的比例、晋升老年代对象大小等细节的参数。

老年代垃圾收集器

image.png

CMS收集器(Concurrent Mark Sweep)

• 以获取最短停顿时间为目标的收集器
• 适用于追求停顿时间最短的B/S系统服务端

• 基于标记-清楚算法

  
  CMS运行图.jpg

1. 初始标记(CMS initial mark)
   STOP THE WORLD，标记GC Roots能直接关联的对象，速度最快
2. 并发标记(CMS concurrent mark)
   进行GC Roots Tracing
3. 重新标记(CMS remark)
   STOP THE WORLD，修正在并发标记期间有变动的对象标记记录
4. 并发清除(CMS concurrent sweep)
   回收对象

缺点

• 对CPU资源敏感
  在并发标记和并发清理，会占用CPU资源，导致程序变慢，总吞吐量降低。CMS默认启动的回收线程数=(CPU数量+3)/4，当CPU较少时，会对程序产生很大影响。
• 无法处理浮动垃圾(Floating Garbage)
  浮动垃圾指，在并发清理阶段产生的新的需要回收的对象。使用CMS收集器，需要预留一部分内存给用户线程使用，如果在并发清理期间，预留内存无法满足程序需要，就会出现"Concurrent Mode Failure"，然后临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，导致停顿时间变长。可以使用参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置CMS触发的百分比。
• 空间碎片
  CMS使用标记-清理算法，会产生大量空间碎片。空间碎片过多时会影响大对象的分配。使用-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数，在要进行Full GC前，开启内存碎片的合并整理过程。但此操作不能并发，会导致停顿时间增加。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction则设置，在执行n次不压缩的Full GC后，执行一次碎片整理的Full GC。

G1收集器(Garbage-first)

适用于服务器端。
优点：

• 并行与并发
  与CMS相似。
• 分代收集
  可以不与其他收集器配合，独立管理整个GC堆，并在不同的代里使用不同的收集算法。
• 空间整合
  G1运作期间不会产生内存空间碎片，有利于程序长时间运行，不会因为没有足够的空间分配给大对象而提前触发GC。

• 可预测停顿
  可以建立可预测的停顿时间模型，让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段中，消耗在垃圾收集上的时间不超过N毫秒。
  G1将Java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region)，虽然也分新生代、老年代，但他们都是一部分Region的集合，不存在物理隔离。G1根据各个Region中垃圾堆积的价值大小（回收后可以获得的空间大小和回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据用户允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。其难点在于，Region不是孤立的，一个对象会被其他Region的对象引用。在做可达性分析寻找可回收对象时，需要扫描整个Java堆才能保证准确性。G1使用Remembered Set来避免全堆扫描。每个Region对应一个Remembered Set，当程序对引用类型的数据进行写操作时，虚拟机产生一个Write Barrier暂时中断操作，检查引用的对象是否处于不同的Region，如果是的话，就通过CardTable把相关应用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set中。进行内存回收的时候，在GC根节点枚举范围加上Remembered Set。

  
  G1收集器运行图.jpg

1. 初始标记
2. 并发标记
3. 最终标记
   STOP THE WORLD，可并发执行最终标记。修正并发标记期间有变动的对象记录，虚拟机将这些变化记录在线程Remembered Set Logs里面，再合并到Remembered Set中。
4. 筛选回收
   STOP THE WORLD，可并发执行。对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户的需求来指定回收计划。

GC日志

// 参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 7128K->616K(9216K)] 7128K->6768K(19456K), 0.0057651 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 616K->0K(9216K)] [ParOldGen: 6152K->6658K(10240K)] 6768K->6658K(19456K), [Metaspace: 2542K->2542K(1056768K)], 0.0066751 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 

• GC/FULL GC：说明垃圾回收的停顿类型，full gc是发生了stop the world的。
• PSYoungGen/ParOldGen：发生GC的区域。
  PSYoungGen：Parallel Scavenge收集器新生代
  DefNew：Default New Generation，使用Serial收集器中的新生代
  ParNew：ParNew收集器的新生代
  ParOldGen：Parallel Old 的老年代
• 7128K->616K(9216K)：GC前该内存区域已使用容量->GC后已使用容量（总容量）
• 7128K->6768K(19456K)（方括号外）：GC前java堆已使用容量->GC后已使用容量（java堆总容量）
• 0.0057651 secs：GC所占用时间（秒）。
• [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] ：【用户态消耗CPU时间，内核态消耗CPU时间，墙钟时间(Wall Clock Time)】。墙钟时间 = 非运算等待耗时（磁盘IO/线程阻塞等待时间） + CPU时间。

内存分配与回收策略

• 优先在Eden上分配
  优先在Eden上分配，Eden空间不够时，发起Minor GC，将存活对象移到Survivor中去。
• 大对象直接进入老年代
  大对象，即需要大量连续内存空间的Java对象（如很长的字符串、数组）。通过-XX:PretenureSizeThreshold参数，大于这个值的对象都会直接在老年代中进行分配。
• 长期存活对象进入老年代
  计算对象的对象年龄计数器，新生代的对象每熬过一次Minor GC，年龄就加1。年龄超过-XX:MaxTenuringThreshold参数的对象，就会被晋升到老年代。
• 动态对象年龄判断
  在Survivor空间中，相同年龄所有对象的大小总和大于Survivor空间的一般时，大于这个年龄的对象就会被晋升到老年代。
• 空间分配担保
  Minor GC前，虚拟机先检查老年代的最大可用的连续空间，是否大于新生代所有对象总空间。如果不成立，就查看HandlePromotionFailure设置的值是否允许担保失败。如果允许，检查老年代最大可用的连续空间，是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小。如果大于，就尝试进行Minor GC，否则就进行Full GC。